Thép không gỉ Austenitic: Tính chất và ứng dụng chính
Chia sẻ
Table Of Content
Table Of Content
Thép không gỉ Austenitic là một loại thép không gỉ nổi bật được đặc trưng bởi cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (FCC), mang lại độ dẻo dai và độ dai tuyệt vời. Loại thép này chủ yếu được hợp kim với crom (thường là 16-26%) và niken (8-22%), cùng với việc bổ sung các nguyên tố khác như molypden, mangan và nitơ để tăng cường các đặc tính cụ thể. Cấu trúc austenitic ổn định ở mọi nhiệt độ, khiến nó không có từ tính và cho phép nó duy trì độ bền và độ dẻo dai ngay cả ở nhiệt độ cực lạnh.
Tổng quan toàn diện
Thép không gỉ austenit được phân loại theo chuỗi 300 của hệ thống phân loại AISI, với các loại phổ biến nhất là 304 và 316. Những loại thép này được biết đến với khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, độ bền nhiệt độ cao và khả năng hàn tốt. Các nguyên tố hợp kim chính, crom và niken, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc tính của thép không gỉ austenit. Crom cung cấp khả năng chống ăn mòn bằng cách tạo thành lớp oxit thụ động, trong khi niken tăng cường độ dẻo và độ dai.
Ưu điểm và hạn chế
| Ưu điểm (Pros) | Hạn chế (Nhược điểm) |
|---|---|
| Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời | Độ bền thấp hơn so với một số loại thép không gỉ khác |
| Độ dẻo dai và độ bền cao | Dễ bị nứt do ăn mòn ứng suất trong một số môi trường nhất định |
| Khả năng hàn và tạo hình tốt | Chi phí cao hơn so với thép cacbon |
| Tính chất phi từ tính | Độ bền nhiệt độ cao hạn chế so với các loại ferritic |
Thép không gỉ Austenitic được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm chế biến thực phẩm, chế biến hóa chất và xây dựng, do tính linh hoạt và độ tin cậy của chúng. Trong lịch sử, chúng đã đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của các ứng dụng thép không gỉ hiện đại, trở thành loại thép không gỉ được sử dụng phổ biến nhất.
Tên thay thế, Tiêu chuẩn và Tương đương
| Tổ chức tiêu chuẩn | Chỉ định/Cấp bậc | Quốc gia/Khu vực xuất xứ | Ghi chú/Nhận xét |
|---|---|---|---|
| Liên Hiệp Quốc | S30400 | Hoa Kỳ | Thường được gọi là thép không gỉ 304 |
| Liên Hiệp Quốc | S31600 | Hoa Kỳ | Được gọi là thép không gỉ 316, với molypden để tăng cường khả năng chống ăn mòn |
| AISI/SAE | 304 | Hoa Kỳ | Tương đương với UNS S30400 |
| AISI/SAE | 316 | Hoa Kỳ | Tương đương với UNS S31600 |
| Tiêu chuẩn ASTM | A240 | Hoa Kỳ | Tiêu chuẩn kỹ thuật cho tấm thép không gỉ |
| VI | 1.4301 | Châu Âu | Tương đương với AISI 304 |
| VI | 1.4401 | Châu Âu | Tương đương với AISI 316 |
| Tiêu chuẩn Nhật Bản | SUS304 | Nhật Bản | Tiêu chuẩn Nhật Bản cho thép không gỉ 304 |
| Tiêu chuẩn Nhật Bản | SUS316 | Nhật Bản | Tiêu chuẩn Nhật Bản cho thép không gỉ 316 |
Đáng chú ý là, trong khi các loại như 304 và 316 thường được coi là tương đương, thì sự hiện diện của molypden trong 316 mang lại khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở tốt hơn, đặc biệt là trong môi trường clorua. Sự khác biệt này rất quan trọng khi lựa chọn vật liệu cho các ứng dụng chế biến hóa chất hoặc hàng hải.
Thuộc tính chính
Thành phần hóa học
| Nguyên tố (Ký hiệu và Tên) | Phạm vi phần trăm (%) |
|---|---|
| C (Cacbon) | 0,08 tối đa |
| Cr (Crom) | 18.0 - 20.0 |
| Ni (Niken) | 8.0 - 10.5 |
| Mo (Molipden) | 0.0 - 3.0 (cho 316) |
| Mn (Mangan) | 2.0 tối đa |
| Si (Silic) | 1.0 tối đa |
| P (Phốt pho) | 0,045 tối đa |
| S (Lưu huỳnh) | 0,03 tối đa |
| N (Nitơ) | Tối đa 0,10 (đối với một số lớp) |
Vai trò chính của crom trong thép không gỉ austenit là tăng cường khả năng chống ăn mòn bằng cách tạo thành lớp oxit bảo vệ. Niken góp phần tạo nên độ dẻo và độ bền của thép, giúp thép phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau. Molypden, đặc biệt là ở cấp 316, cải thiện khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở, đặc biệt là trong môi trường giàu clorua.
Tính chất cơ học
| Tài sản | Tình trạng/Tính khí | Nhiệt độ thử nghiệm | Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị đo lường) | Giá trị/Phạm vi điển hình (Anh) | Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm |
|---|---|---|---|---|---|
| Độ bền kéo | Ủ | Nhiệt độ phòng | 520 - 720MPa | 75 - 104 ksi | Tiêu chuẩn ASTM E8 |
| Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%) | Ủ | Nhiệt độ phòng | 210 - 310MPa | 30 - 45 ksi | Tiêu chuẩn ASTM E8 |
| Độ giãn dài | Ủ | Nhiệt độ phòng | 40-60% | 40-60% | Tiêu chuẩn ASTM E8 |
| Độ cứng (Rockwell B) | Ủ | Nhiệt độ phòng | 70 - 90 HRB | 70 - 90 HRB | Tiêu chuẩn ASTM E18 |
| Sức mạnh tác động (Charpy) | Ủ | -196 °C | 40 - 100J | 30 - 75 ft-lbf | Tiêu chuẩn ASTM E23 |
Tính chất cơ học của thép không gỉ austenit làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo cao. Độ giãn dài và độ bền va đập tuyệt vời của nó cho phép nó chịu được tải trọng động và ứng suất, làm cho nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng kết cấu.
Tính chất vật lý
| Tài sản | Điều kiện/Nhiệt độ | Giá trị (Đơn vị đo lường) | Giá trị (Anh) |
|---|---|---|---|
| Tỉ trọng | Nhiệt độ phòng | 7,93 g/cm³ | 0,286 lb/in³ |
| Điểm nóng chảy | - | 1400 - 1450 °C | 2550 - 2642 °F |
| Độ dẫn nhiệt | Nhiệt độ phòng | 16 W/m·K | 9,3 BTU·in/h·ft²·°F |
| Nhiệt dung riêng | Nhiệt độ phòng | 500 J/kg·K | 0,12 BTU/lb·°F |
| Điện trở suất | Nhiệt độ phòng | 0,72 µΩ·m | 0,000014 Ω·trong |
| Hệ số giãn nở nhiệt | Nhiệt độ phòng | 16 x 10⁻⁶/K | 9 x 10⁻⁶/°F |
Mật độ của thép không gỉ austenit góp phần tạo nên trọng lượng và tính toàn vẹn về mặt cấu trúc, trong khi độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng của nó rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến truyền nhiệt. Hệ số giãn nở nhiệt rất quan trọng trong các ứng dụng có dự kiến nhiệt độ dao động, vì nó ảnh hưởng đến độ ổn định về kích thước của các thành phần.
Chống ăn mòn
| Chất ăn mòn | Sự tập trung (%) | Nhiệt độ (°C) | Xếp hạng sức đề kháng | Ghi chú |
|---|---|---|---|---|
| Clorua | 3-10 | 20-60 | Hội chợ | Nguy cơ ăn mòn rỗ |
| Axit sunfuric | 10-30 | 20-40 | Nghèo | Không khuyến khích sử dụng ở nồng độ cao |
| Axit axetic | 10-20 | 20-60 | Tốt | Nói chung là kháng cự |
| Nước biển | - | 20-40 | Tốt | Sức đề kháng tuyệt vời |
| Amoniac | - | 20-60 | Xuất sắc | Rất bền |
Thép không gỉ austenit có khả năng chống chịu tuyệt vời với nhiều môi trường ăn mòn, đặc biệt là trong điều kiện khí quyển và biển. Tuy nhiên, chúng có thể dễ bị ăn mòn rỗ trong môi trường giàu clorua, khiến việc lựa chọn vật liệu cẩn thận trở nên quan trọng đối với các ứng dụng trong những điều kiện như vậy. So với thép không gỉ ferritic, các loại austenit thường có khả năng chống ăn mòn vượt trội, đặc biệt là trong môi trường axit.
Khả năng chịu nhiệt
| Tài sản/Giới hạn | Nhiệt độ (°C) | Nhiệt độ (°F) | Nhận xét |
|---|---|---|---|
| Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa | 800 | 1472 | Thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao |
| Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa | 870 | 1598 | Có thể chịu được tiếp xúc trong thời gian ngắn |
| Nhiệt độ đóng băng | 900 | 1652 | Bắt đầu bị oxy hóa ở nhiệt độ cao |
| Cân nhắc về sức bền biến dạng | 600 | 1112 | Khả năng chống biến dạng giảm dần ở nhiệt độ này |
Thép không gỉ austenit vẫn giữ được độ bền và độ dẻo dai ở nhiệt độ cao, khiến chúng phù hợp để sử dụng trong môi trường có nhiệt độ cao. Tuy nhiên, tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ trên 800 °C có thể dẫn đến quá trình oxy hóa và đóng cặn, có thể làm giảm tính toàn vẹn của vật liệu.
Tính chất chế tạo
Khả năng hàn
| Quy trình hàn | Kim loại phụ gia được đề xuất (Phân loại AWS) | Khí/Nhiệt che chắn điển hình | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| TIG | ER308L | Khí Argon | Tốt cho các phần mỏng |
| MIG | ER308L | Argon + CO2 | Thích hợp cho các phần dày hơn |
| SÚNG BẮN TỪ | E308L | - | Yêu cầu làm nóng trước cho các phần dày |
Thép không gỉ austenit có khả năng hàn cao, với nhiều quy trình hàn khác nhau. Có thể cần phải gia nhiệt trước cho các phần dày hơn để tránh nứt. Xử lý nhiệt sau khi hàn có thể tăng cường các đặc tính cơ học và giảm ứng suất dư.
Khả năng gia công
| Thông số gia công | Thép không gỉ Austenit | AISI 1212 (Tiêu chuẩn) | Ghi chú/Mẹo |
|---|---|---|---|
| Chỉ số khả năng gia công tương đối | 30-40% | 100% | Yêu cầu dụng cụ sắc bén và chất làm mát |
| Tốc độ cắt điển hình (Tiện) | 30-50 m/phút | 80-100 m/phút | Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất |
Gia công thép không gỉ austenit có thể là một thách thức do đặc tính làm cứng của nó. Tốc độ cắt và dụng cụ tối ưu là điều cần thiết để đạt được độ hoàn thiện bề mặt và dung sai kích thước mong muốn.
Khả năng định hình
Thép không gỉ austenit thể hiện khả năng định hình tuyệt vời, cho phép thực hiện các quy trình định hình nguội và nóng. Chúng có thể dễ dàng uốn cong và định hình mà không bị nứt, mặc dù phải cẩn thận để tránh làm cứng quá mức, có thể dẫn đến khó khăn trong quá trình xử lý tiếp theo.
Xử lý nhiệt
| Quy trình điều trị | Phạm vi nhiệt độ (°C/°F) | Thời gian ngâm điển hình | Phương pháp làm mát | Mục đích chính / Kết quả mong đợi |
|---|---|---|---|---|
| Ủ | 1000 - 1150 / 1832 - 2102 | 1-2 giờ | Không khí hoặc nước | Giảm ứng suất, cải thiện độ dẻo dai |
| Giải pháp điều trị | 1000 - 1100 / 1832 - 2012 | 30 phút | Làm mát nhanh | Hòa tan cacbua, tăng khả năng chống ăn mòn |
| Lão hóa | 600 - 800 / 1112 - 1472 | 1-2 giờ | Không khí | Cải thiện sức mạnh và độ cứng |
Các quy trình xử lý nhiệt như ủ và xử lý dung dịch rất quan trọng để tối ưu hóa cấu trúc vi mô và tính chất của thép không gỉ austenit. Các phương pháp xử lý này có thể tăng cường khả năng chống ăn mòn và hiệu suất cơ học, giúp vật liệu phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.
Ứng dụng điển hình và mục đích sử dụng cuối cùng
| Ngành/Lĩnh vực | Ví dụ ứng dụng cụ thể | Các tính chất chính của thép được sử dụng trong ứng dụng này | Lý do lựa chọn (Tóm tắt) |
|---|---|---|---|
| Chế biến thực phẩm | Thiết bị chế biến thực phẩm | Chống ăn mòn, vệ sinh | Không phản ứng và dễ vệ sinh |
| Xử lý hóa học | Bể chứa | Độ bền cao, chống ăn mòn | Độ bền trong môi trường khắc nghiệt |
| Sự thi công | Thành phần cấu trúc | Độ dẻo cao, khả năng hàn | Tính linh hoạt trong thiết kế |
| Hàng hải | Đóng tàu | Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời | Độ bền trong môi trường nước mặn |
| Thuộc về y học | Dụng cụ phẫu thuật | Khả năng tương thích sinh học, chống ăn mòn | An toàn và độ tin cậy |
Thép không gỉ Austenitic được lựa chọn cho các ứng dụng mà khả năng chống ăn mòn, độ bền và khả năng định hình là rất quan trọng. Tính linh hoạt của nó làm cho nó phù hợp với nhiều ngành công nghiệp, từ chế biến thực phẩm đến các ứng dụng hàng hải.
Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn
| Tính năng/Thuộc tính | Thép không gỉ Austenit | Thép không gỉ Ferritic | Thép không gỉ Duplex | Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi |
|---|---|---|---|---|
| Tính chất cơ học chính | Độ dẻo cao | Độ dẻo vừa phải | Độ bền cao | Austenitic cung cấp độ bền tốt hơn |
| Góc nhìn ăn mòn chính | Tuyệt vời trong hầu hết các môi trường | Công bằng trong clorua | Tốt trong clorua | Austenitic vượt trội trong điều kiện axit |
| Khả năng hàn | Xuất sắc | Hội chợ | Tốt | Austenitic dễ hàn hơn |
| Khả năng gia công | Vừa phải | Tốt | Vừa phải | Ferritic dễ gia công hơn |
| Chi phí tương đối xấp xỉ | Cao hơn | Thấp hơn | Cao hơn | Chi phí thay đổi tùy theo thành phần hợp kim |
| Khả năng cung cấp điển hình | Có sẵn rộng rãi | Chung | Ít phổ biến hơn | Austenitic là loại phổ biến nhất |
Khi lựa chọn thép không gỉ austenit, cần cân nhắc đến chi phí, tính khả dụng và các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Các đặc tính cơ học tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn của nó khiến nó trở thành lựa chọn ưa thích trong nhiều ngành công nghiệp, mặc dù chi phí cao hơn so với thép cacbon có thể là một yếu tố hạn chế. Ngoài ra, các đặc tính không từ tính của nó khiến nó phù hợp với các ứng dụng mà nhiễu từ là mối quan tâm.